Создание хромосомы с нуля: научный прорыв в области синтетической биологии
Создание хромосомы с нуля может показаться научной фантастикой, но учёные фактически сделали это — и добились успеха. В рамках амбициозного проекта исследователи создали полностью синтетическую хромосому для дрожжей — распространённого организма, используемого в выпечке и пивоварении. Настоящий сюрприз? После тщательного исправления некоторых дефектов лабораторная хромосома позволила дрожжам расти так же, как и обычным, даже в стрессовых условиях, таких как высокая температура и нехватка питательных веществ.
Это достижение является частью проекта по созданию синтетического генома дрожжей версии 2.0, который исследует, как искусственно созданные гены могут изменить наше понимание биологии и привести к созданию новых мощных технологий.
Кто стоит за исследованием?
Исследованием руководили учёные из Университета Маккуори, включая профессора Исака Преториуса, профессора Яна Полсена, доктора Хью Гоулда и доктора Хайнриха Кроукампа, а также команды из Университета Джонса Хопкинса и Эдинбургского университета. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, описывают, как они создали и затем исправили эту синтетическую хромосому, чтобы помочь дрожжам расти и вести себя как оригинал.
Как создавалась синтетическая хромосома?
Создание синтетической хромосомы происходило поэтапно. Отрезки были произведены отдельно в разных штаммах дрожжей, а затем соединены путём скрещивания и естественного смешивания ДНК. Изначально искусственная хромосома вызывала слабый рост дрожжей, особенно в сложных условиях, таких как высокие температуры или ограниченное питание. Учёные использовали метод, основанный на современном инструменте редактирования генов под названием DNA-Based Upgrading of Genomic Systems, чтобы определить, какие части синтетической хромосомы ответственны за проблемы.
Одной из основных проблем был ген, отвечающий за перемещение меди в клетки. Изменения в области, контролирующей активацию этого гена, мешали выживанию дрожжей. Другая проблема была связана с геном, отвечающим за деление клеток, где изменения конструкции нарушили его нормальную функцию.
Восстановление исходных контрольных последовательностей и повторное введение определённых молекул РНК-помощников, известных как транспортные РНК, помогло решить проблемы роста. По словам профессора Преториуса: «Мы выявили ключевые ошибки, вызванные размещением сайтов рекомбинации вблизи регуляторных регионов генов, что имело непредвиденные последствия для экспрессии генов и жизнеспособности клеток». Эти исправления позволили дрожжам восстановить здоровый рост даже в сложных условиях, заставив их вести себя гораздо больше как естественный штамм.
Результаты и выводы
Эти исправления привели к ценным выводам. Многие проблемы были связаны с небольшими ДНК-метками, которые были размещены слишком близко к регионам, контролирующим важные гены. Команда разработала более чистую версию, названную синтетической хромосомой шестнадцать версии 2.0. Эта обновлённая версия удалила проблемные области, улучшила сигналы остановки генов и сократила количество добавленных ДНК-меток. Эти шаги помогли синтетической хромосоме функционировать более эффективно и дали учёным более надёжную модель для построения искусственных хромосом у других организмов.
Приверженные процессу постепенного улучшения, исследователи следовали циклу проектирования, тестирования и совершенствования. Они обнаружили, что хотя дрожжи могут переносить многие изменения своего генетического материала, некоторые части — особенно те, что находятся вне кодирующих белки областей и генов с небольшим количеством заменителей — требуют особого внимания. Добавление всех недостающих транспортных РНК на небольшом отдельном круге ДНК значительно улучшило состояние дрожжей, особенно в условиях стрессового роста.
Эти уроки, извлечённые из синтетической хромосомы шестнадцать и применённые к более совершенной рабочей версии, предлагают научному сообществу надёжный пример того, как создавать искусственные хромосомы, которые действительно работают. Эти находки могут помочь в разработке дизайна специально созданных хромосом не только для дрожжей, но и для растений и животных — там, где ещё важнее сохранять генетический баланс. В конечном счёте улучшенный дизайн хромосомы подчёркивает, что можно сделать с помощью современных генетических инструментов, и предоставляет полезную дорожную карту для построения сложных генетических систем, которые являются стабильными, эффективными и готовыми к будущим инновациям.
Ссылка на журнал:
Goold H.D., Kroukamp H., Erpf P.E., et al. «Construction and iterative redesign of synXVI a 903 kb synthetic Saccharomyces cerevisiae chromosome.» Nature Communications, 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55318-3
Об авторах
Профессор Исак Преториус — ведущая фигура в области синтетической биологии и биотехнологии, наиболее известен своими работами в области генетики дрожжей и геномной инженерии. Работает в Университете Маккуори в Австралии и играет центральную роль в глобальных усилиях по проектированию и конструированию синтетических геномов эукариот, включая знаковый проект по созданию синтетического генома дрожжей.
Профессор Ян Полсен — известный эксперт в области геномики микроорганизмов в Университете Маккуори, специализируется на системной биологии, синтетической биологии и экологических приложениях микробиологических наук. Его исследования охватывают изучение физиологии микроорганизмов, метаболических сетей и генетической инженерии микроорганизмов в биотехнологических целях.
Доктор Хью Гоулд — старший научный сотрудник, признанный эксперт в области молекулярной биологии и геномной инженерии. Работает в Департаменте первичных отраслей Нового Южного Уэльса и активно занимается приложениями синтетической биологии в дрожжах и других микробных системах.
Доктор Хайнрих Кроукамп — специалист в области микробной биотехнологии, известен своими работами по конструированию синтетических геномов и клеточной инженерии. Работает в Австралии и связан с MicroBioGen и Университетом Маккуори, внёс значительный вклад в международные усилия по разработке синтетических хромосом дрожжей.