Naukowcy osiągnęli kamień milowy w trwającym 15 lat projekcie, próbującym zbudować całkowicie syntetyczny genom drożdży. Donosząc o ogromnej liczbie nowych artykułów, zespół po raz pierwszy zaprojektował żywotne komórki drożdży zawierające ponad 50% syntetycznego DNA i stworzył syntetyczne wersje prawie wszystkich ich chromosomów oraz zupełnie nowy.

Pierwszy na świecie całkowicie syntetyczny organizm powstał w 2010 roku i przez lata był udoskonalany, aby umożliwić mu wzrost i dzielenie się, a nawet samodzielne poruszanie się. Ale ta i inne im podobne to bakterie, które mają bardzo proste genomy zawarte w pojedynczym chromosomie.

Inni naukowcy pracowali nad stworzeniem syntetycznych wersji bardziej złożonych form życia, w tym nad projektem Synthetic Yeast Project (Sc2.0). Jak można się domyślić, ich celem jest stworzenie w pełni syntetycznego genomu drożdży piwnych, dzięki któremu stałby się pierwszym sztucznym eukariontem – dużą grupą życia obejmującą wszystkie rośliny i zwierzęta.

Drożdże pakują swoje DNA w 16 chromosomów, z których sześć zostało wcześniej zsyntetyzowanych w ramach projektu. W nowej serii badań naukowcy ze Sc2.0 dodali osiem kolejnych i przeprowadzili serię eksperymentów, które pozwoliły im poznać biologię drożdży i jakie zmiany można bezpiecznie wprowadzić w wersji syntetycznej.

Jedną z głównych zmian dokonanych w genomie było usunięcie dużych odcinków powtarzającego się DNA. Obszary te nie kodują niczego konkretnego, ale mogą się ze sobą łączyć i powodować poważne zmiany strukturalne. Zespół twierdzi, że usuwając je, uzyskują większą kontrolę nad genomem, czyniąc go bardziej stabilnym.

Zhao i in./Cell

W innym badaniu naukowcy stworzyli zupełnie nowy chromosom zawierający fragmenty DNA kodujące transferowy RNA (tRNA). Zespół twierdzi, że te sekwencje DNA są podatne na niestabilność, więc wycięcie ich ze zwykłych miejsc w genomie i wrzucenie ich do własnego chromosomu pomogło również zwiększyć stabilność całego genomu.

Inne grupy spowodowały, że żywotność drożdży osiągnęła granice, dokonując poważnych zmian strukturalnych, takich jak łączenie chromosomów, odwracanie ich „ramion” lub celowe nieprawidłowe składanie chromosomów. Odkryli, że komórki drożdży mogą tolerować zaskakujący poziom zmian i nadal dobrze się rozwijać.

Następnie naukowcy z projektu Sc2.0 postanowili złożyć jak najwięcej syntetycznych chromosomów w jedną żywą komórkę drożdży. Zastosowali technikę stopniową, polegającą na krzyżowaniu szczepów posiadających po jednym syntetycznym chromosomie każdy, a następnie wybieraniu potomstwa, które nabyło mutacje obojga rodziców. Powtarzając ten proces przez pokolenia, uzyskano szczep drożdży zawierający 6,5 syntetycznych chromosomów.

Na koniec wykorzystali nową technikę opracowaną w ramach projektu, aby zastąpić inny chromosom w tym szczepie, w wyniku czego uzyskano drożdże z genomem składającym się z 7,5 syntetycznych chromosomów, co oznacza, że ​​jako pierwsze drożdże zawierają ponad 50% syntetycznego DNA.

Chociaż osiągnięcie „połowy” etapu zajęło 15 lat, naukowcy przewidują, że minie jeszcze tylko rok, zanim uzyskają w 100% syntetyczny szczep drożdży. Ostatnie dwa chromosomy zostały już zsyntetyzowane i oczekuje się, że w ciągu najbliższych kilku miesięcy staną się tematem ich własnych prac. Potem następuje żmudna praca polegająca na ich edycji i debugowaniu zmian, aby upewnić się, że drożdże są nadal zdolne do życia.

Celem tego projektu nie jest tylko „bawienie się w Boga” – całkowicie syntetyczny szczep drożdży może pomóc światu na znacznie więcej sposobów, niż mogłoby się wydawać. Drożdże już biorą udział w produkcji nie tylko żywności, ale także antybiotyków, leków, biopaliw i szeregu innych przydatnych cząsteczek. Można go zaprojektować tak, aby robił to wydajniej lub poszerzał swój repertuar, aby rozwiązywać inne główne problemy.

Wyniki badań opublikowano w 10 artykułach w czasopismach Komórka, Komórka Molekularna I Genomika komórkowa [1],[2].

Źródła: NYU Langone Health, Uniwersytet w Nottingham, Nature, Science