Для искусственного генома дрожжей готова первая деталь

Научившись расшифровывать геномы различных организмов, исследователи взялись за создание их искусственных аналогов. Первый полностью химически синтезированный геном вируса был получен более 10 лет назад. Позже, в 2008 году, в журнале «Science» вышла статья, авторы которой сообщали об успешной проверке жизнеспособности бактерий с искусственным геномом. Однако вирусы и бактерии — достаточно простые формы жизни, и геномы их малы. Например, первый искусственный геном вируса имел размер 7,5 тысячи пар нуклеотидов — элементарных блоков ДНК — и был представлен одной молекулой. Геном бактерии Mycoplasma genitalium, воссозданный учёными, содержит уже более 580 тысяч пар нуклеотидов, но это по-прежнему одна молекула. У более сложных организмов геном значительно больше.

Так, у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae его размер 12 млн пар нуклеотидов, и он состоит из 16 отдельных молекул ДНК (хромосом). Чтобы собрать такой геном, следует сначала синтезировать каждую из этих молекул (деталей), а потом уже свести их вместе.

В начале апреля 2014 года в журнале «Science» вышла статья, авторы которой сообщают о создании первой такой «детали» — искусственной хромосомы пекарских дрожжей. Работа выполнена в Университете Джона Хопкинса в США под руководством Джефа Буке. Реконструированная третья хромосома имеет размер в 273 тысячи пар нуклеотидов. Собрать молекулу ДНК такого размера — непростая задача. Вначале синтезируются короткие фрагменты размером всего в 75 пар нуклеотидов, после чего они поэтапно собираются в более крупные последовательности ДНК,
нарабатываются в бактериях, а затем соединяются в ещё более крупные блоки в дрожжах. Дрожжевая клетка заменяет природную третью хромосому на искусственную не сразу, а через поэтапную замену её частей на новые. Эти замены проверяют с помощью маркеров, специально встроенных в последовательность спроектированной хромосомы.

Дрожжи, в которые была встроена искусственная хромосома, не уступают в жизнеспособности дрожжам с природным геномом, хотя авторы работы значительно изменили её структуру. Они удалили из её последовательности множество повторяющихся элементов, из-за которых хромосома может быть нестабильной. Было также удалено много других участков, не кодирующих гены, и внесён ряд точечных замен в последовательность ДНК. Всего сделано около 50 000 изменений. В новой хромосоме есть множество участков, способных перестраиваться в условиях, контролируемых экспериментатором. За счёт таких перестроек (искусственной эволюции) авторы рассчитывают получить новые разновидности дрожжей, которые могли бы более эффективно нарабатывать лекарственные препараты, спирты для биотоплива и генно-инженерные вакцины. (Напомним, что дрожжи давно используются в подобных производствах в промышленных масштабах.) Кроме того, благодаря системе для контролируемой перестройки хромосомы в перспективе можно будет изучать роль отдельных генов в жизнеспособности дрожжевых клеток. То есть удалять тот или иной фрагмент хромосомы, чтобы делать вывод, насколько он важен.

Ранее авторы исследования уже собрали крупные фрагменты другиххромосом дрожжей Saccharomyces cerevisiae, и конечная цель их работы — собрать все хромосомы этого организма. Учитывая, что искусственная третья хромосома была собрана за полтора года, на синтез и сборку искусственных аналогов всех дрожжевых хромосом понадобится ещё несколько лет.

Сегодня сборкой искусственного генома дрожжей занимаются студенты нескольких университетов в рамках курса «Build А Genome» —
«Построй геном». Этот университетский спецкурс впервые появился в Университете ДжонаХопкинса в США, где когда-то зародился проект искусственного генома. Сейчас организовать подобный курс может любой университет мира, включившись в программу и получив свою дрожжевую хромосому для сборки. Так, например, к программе уже подключились несколько университетов в Китае, где завершается сборка ещё трёх хромосом пекарских дрожжей.