В статье в Science сообщается о синтезе первой искусственной эукариотической хромосомы – 3 хромосомы S. cerevisiae. Jef Boeke (New York University Langone Medical Center) – один из главных руководителей этого амбициозного проекта (который назвали "Sc2.0"). Началась эта история в 2006г, когда Boeke в разговоре с Srinivasan Chandrasegaran (бывшим коллегой Boeke по Johns Hopkins University) в шутку предложил не просто модифицировать дрожжевой геном с помощью нуклеаз (как это делал Chandrasegaran), а сделать геном "с нуля". Однако коллеги восприняли эту шутку всерьез.
Они начали с короткого фрагмента – R-плеча 9й хромосомы (90 кб). Они вставили сайты рекомбинации LoxP почти у каждого гена, а также около теломер, центромеры и др. важных элементов. Активация соответствующей рекомбиназы (cre) приводит к делеции случайного фрагмента, что позволяет эффективно проводить нокауты. Авторы назвали такой подход SCRaMbLE (synthetic chromosome rearrangement and modification by loxP-mediated evolution). Кроме того, были введены специальные метки (PCR-tags) для последующего PCR-анализа. Были удалены мобильные элементы, значительная часть интронов и некодирующих последовательностей, а теломеры были заменены на более короткие синтетические. Гены тРНК являются "горячими точками" повреждения ДНК и часто служат причиной остановки репликации. Поэтому 275 генов тРНК были удалены и перенесены на искусственную "неохромосому". В дальнейшем планируется перенести их в одну из следующих искусственных хромосом.
Все стоп-кодоны TAG были заменены на TAA. Предполагается, что когда будут доделаны все синтетические хромосомы, число таких замен будет более 1000. Это позволит зарезервировать кодон TAG для искусственной аминокислоты. Все эти изменения были просчитаны с помощью специально разработанной компьютерной программы, чтобы они не интерферировали с остальной, пока еще природной, частью генома. Синтез 90 кб R-плеча 9й хромосомы занял 11 месяцев, еще несколько месяцев было потрачено на введение его в живые клетки. Это успешно было завершено в 2011г. Полученные дрожжи оказались жизнеспособны, система SCRaMbLE тоже работала отлично. Вдохновленные успехом, авторы взялись за синтез целой хромосомы. Для этого были привлечены студенты из Johns Hopkins University. За полтора года 49 студентов сумели синтезировать и собрать 272 871 нуклеотидов искусственной хромосомы (размер природной – 316 667 нуклеотидов). Дрожжи, получившие синтетическую хромосому вместо природной, также оказались вполне жизнеспособны – это было проверено на разных средах и в различных условиях.
Дальнейшая работа над проектом "Sc2.0" приобрела международный размах – на сегодняшний день в нем участвуют институты Америки, Англии, Китая, Австралии, Сингапура и Индии (см. рис). Заменить все хромосомы на искусственные предполагается в течение ближайших двух лет. В дальнейшем ученые будут изучать эволюцию синтетического генома, а также использовать искусственные дрожжи для различных биотехнологических задач и фундаментальных исследований. Например, Boeke планируют исследовать молекулярные механизмы синдрома Леша-Нихена путем введения соответствующих генов в геном Sc2.0.
Таким образом, в случае удачного завершения проекта, он может стать эпохальной вехой в развитии синтетической биологии.
авторский текст
Источники:
Обсуждаемая статья в Science: Annaluru et al.
News focus (Science): E. Pennisi.
См.также Nature News: E. Callaway.
Картинка из News focus (Science)