Крупнaя мeждунaрoднaя кoллaбoрaция биoлoгoв рaсскaзaлa o зaвeршeнии рaбoты нaд 6 из 16 синтeтичeскиx xрoмoсoм дрoжжeй. Учeным удaлoсь нe тoлькo xимичeски синтeзирoвaть трeть гeнoмa пeрвoгo ядeрнoгo oргaнизмa, нo и нeмнoгo «подчистиить» и компактизовать нынешний геном, а также внести изменения, облегчающие дальнейшие манипуляции с «синтетическими дрожжами». Суждение об исследовании и результаты работы опубликованы в пяти статьях, вышедших в специальном номере журнала Science.

Значительное ухудшение стоимости химического синтеза ДНК за последние 20–30 лет открыло ради биологов потенциальную возможность не только проводить точечные вмешательства в геном обычными методами генной инженерии, да и переписывать геномы «с нуля». Такой подход позволяет вносить в ДНК куда как более глобальные и глубокие изменения. Например, таким образом можно полностью вырезать «мусорные» или нежелательные последовательности, перегруппировывать гены, расставить специальные метки вдоль ДНК для облегчения последующих манипуляций или даже если глобально модифицировать генетический код.

Подобные работы относят к области т. н. «синтетической биологии», которая ставит до собой задачу разработки системы генетических «запасных частей» и рационального дизайна возьми их основе новых синтетических организмов. Некоторые успехи в этом направлении сделано есть: еще в 2003 году команде Крейга Вентера удалось собрать запевало полностью синтетический геном вируса (бактериофага φX174), в 2010 году те но исследователи синтезировали геном бактерии Mycoplasma mycoides, а в марте прошлого года биологи представили «минимальную» версию сего организма, из которой были выброшены почти все «лишние» последовательности. Всё-таки нынешние успехи в технологии синтеза и сборки геномов пока опережают прогресс в понимании механизмов их работы. В такой степени, в геноме того же минимального синтетического Mycoplasma mycoides есть 149 (из 473) обязательных исполнение) жизни генов, функция которых до сих пор полностью неизвестна. Причем стиль здесь идет именно об отсутсвии проверенных знаний о функциях самих генов, ровно же касается механизмов регуляции их работы или организации некодирующих последовательностей в геноме, в таком случае об этом авторы «искусственной жизни» знают еще меньше. Тем безвыгодный менее, даже происходящее на данном этапе простое «списывание у природы» способно разрешить принципиально новую биологическую информацию, которая будет незаменима для последующего рационального моделирования живых систем.

Международная коллаборация Sc2.0, статьи которой вышли в специальном выпуске Science, ставит себя задачу технически даже более амбициозную, чем последний проект Института Вентера. Завитушки слова идет о полном синтезе генома пекарских дрожжей, — а в нем умещается почти вдесятеро более всего генов, чем в минимизированной версии микоплазмы. Выбор именно дрожжей в качестве цели проекта объясняется тем, чего, во-первых, из всех ядерных организмов у них один из самых маленьких геномов (сравнительная мира имеется, например, здесь), во-вторых, дрожжи это хорошо изученная и удобная пользу кого манипуляций модельная система и, в-третьих, важность дрожжей для экономики сложно сопоставить с каким-либо другим микроорганизмом. В того, здесь следует отметить, что организация генома, возможности синтеза белков и вообще строение клетки у бактерий и эукариот в (высшей степени существенно отличаются. Поэтому синтетические работы, которые идут в том и другом направлениях во многом независимы товарищ от друга и в технологиях, и в результатах, хотя и основаны на одном и том но фундаменте — химическом синтезе олигонуклеотидов.

Работы по созданию «искусственных дрожжей» в проекте Sc2.0 разбиты среди исследовательских центров по части отдельным хромосомам. Синтез происходит следующим образом: олигонуклеотиды собирают с помощью ПЦР в кусочки размером по мнению 10 тысяч нуклеотидов, затем их сшивают друг с другом в «мегакусочки» длиной в 3–6 редко больше. Эти «мегакусочки», каждый из которых несет специальный (ауксотрофный) курсор для отбора на селективной среде, затем вставляют в дрожжевой геном. Уникальное оттенок дрожжей, которое существенно облегчает внесение изменений в их геном заключается в томишко, что клеткам дрожжей достаточно наличия гомологичных последовательностей на концах фрагмента ДНК, в надежде вставить этот фрагмент в геном в ходе гомологичной рекомбинации. Если вставленный пассаж будет нести ген синтеза необходимой дрожжам аминокислоты (которой нет в среде), так на чашке вырастут только такие клетки, в которых привнесенный фрагмент успешно встроился в геном. Постепенно вводя в геном после одному «мегакусочку» ученым на данный момент удалось полностью заменить для искусственные копии шесть с половиной из 16 хромосом гомологичного набора дрожжей. В (то каждая из этих хромосом «живет» отдельно в своем штамме, но ученые сейчас испытали метод их объединения в полностью искусственный набор.

Прогресс в синтезе искусственного генома дрожжей: синим показаны поуже готовые хромосомы, желтым – остальные. Длина полосок соответствует длине хромосом, у каждой указан виновный за работу институт. Richardson, S.M., Science, 2017

Что касается изменений, которые отличают искусственный геном, ведь их можно разделить на несколько групп. Во-первых, это технические улучшения: ученые расставили вдоль генома сайты посадки эндонуклеаз, позволяющие комфортно манипулировать ДНК, ввели набор маркеров, которые позволяют контролировать ход сборки генома в области ПЦР и добавили серию сайтов для Cre-рекомбиназы, которая позволяет точечно вырезать любые интересующие исследователей гены. Во-вторых, сие изменения самого генетического кода: из всего нового генома ученые удалили Водан из стоп-кодонов, в результате чего появился совершенно свободный триплет, какой можно использовать, например, для введения в белки искусственных аминокислот. В-третьих, изменения касались оптимизации: из генома были удалены повторы, лишние гены транспортной РНК и почти все интроны (у дрожжей, в различность от других эукариот, интронов почти и нет). Все эти изменения были спланированы и организованы априори, для чего консорциуму понадобилось создать специальную программную среду, BioStudio, выпущенную подина свободной лицензией.

В настоящее время последовательность всего генома уже просчитана, методика сборки из фрагментов опробована и идет техническая страда по синтезу оставшихся двух третей генома. Его общий размер кому (должно составить 11,35 миллиона нуклеотидов — чуть меньше, чем природный 12-милионный геном. Подробнее о методах и успехах синтетической биологии (бог) велел прочитать здесь.

Автор: Александр Ершов