Genom drożdży zawiera przeprojektowane sekwencje chromosomów, które mogą rzucić światło na wpływ zmienności genetycznej na indywidualne cechy i potencjalnie zostać wykorzystane do ujawnienia przyczyn chorób genetycznych.

Chromosomy są długie DNA cząsteczki tworzące wspólnie genom zawierający cały materiał genetyczny organizmu. Postęp technologiczny umożliwił naukowcom przeprojektowanie i skonstruowanie różnych sekwencji chromosomów, ułatwiając badanie powiązania między zmianami genów a cechami.

Warto zauważyć, że drożdże są ważnym organizmem modelowym do zrozumienia podstawowych procesów komórkowych ze względu na ich podobieństwo do roślin i zwierząt na poziomie komórkowym, a jednocześnie są znacznie prostsze w manipulowaniu i badaniu. Dlatego przeprojektowanie i synteza genomu drożdży może pomóc naukowcom zrozumieć wpływ zmienności genetycznej na indywidualne cechy, potencjalnie wyjaśniając mechanizmy chorób genetycznych.

Mając ten cel na uwadze, naukowcy z NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI), Programu badań translacyjnych w zakresie biologii syntetycznej (Syn Bio TRP)
i Wydział Biochemii w Yong Loo Lin School of Medicine, National University of Singapore (NUS Medicine), zsyntetyzowali przeprojektowane drożdże – chromosom XV, który zawiera 1,05 miliona par zasad – największy zsyntetyzowany chromosom w Azji.

Zespół naukowy pod przewodnictwem Profesor nadzwyczajny Matthew Changjest częścią drożdży syntetycznych
Genome Project (Sc2.0), międzynarodowe konsorcjum składające się z laboratoriów na całym świecie współpracujących nad przeprojektowaniem i skonstruowaniem od podstaw wszystkich 16 chromosomów drożdży. Praca zespołu profesora Changa jest postrzegana jako kamień milowy w dziedzinie biologii syntetycznej.

Tworząc syntetyczny chromosom XV (synXV), zespół NUS Medicine gruntownie przeprojektował oryginał DNA uwzględnić różne zmiany, w wyniku których uzyskano sekwencję wyraźnie niepowtarzalną i różniącą się od naturalnej. Aby usprawnić proces składania synXV, zespół opracował przełomową technologię zwaną rekombinacją mitotyczną za pośrednictwem CRISPR/Cas9 z endoreduplikacją (CRIMiRE). Ta innowacyjna technologia znacznie przyspiesza wymianę dużych chromosomów DNA segmenty w określonych miejscach, umożliwiając w ten sposób jednoczesne składanie wielu syntetycznych segmentów chromosomów i zszywanie ich w kompletny syntetyczny chromosom XV. Praca została opublikowana w czasopiśmie Cell Genomics.

Po wygenerowaniu syntetycznego chromosomu drożdży CRIMiRE umożliwia ponadto celowe mieszanie i dopasowywanie synXV do innego chromosomu drożdży. Generuje to różne kombinacje genetyczne do badań, co rzuca światło na związek między zmianami genetycznymi a cechami indywidualnymi.

Biorąc pod uwagę wyzwania związane z pracą z wyjątkowo długimi DNA sekwencji, tradycyjne podejścia nie są w stanie skutecznie zmieniać sekwencji. Jednakże zastosowanie CRIMiRE uprościło ten proces, skracając go dziesięciokrotnie, co potencjalnie rewolucjonizuje sposób budowania większych syntetycznych chromosomów w przypadku bardziej złożonych organizmów.

„To osiągnięcie otwiera drzwi do zrozumienia podstawowych pytań dotyczących procesów biologicznych” – powiedział A/prof Matthew Chang.

„Nasza podróż mająca na celu dokończenie budowy syntetycznego chromosomu drożdży była niezwykła. Nie tylko zaprezentowaliśmy nasze umiejętności techniczne w tworzeniu syntetycznych chromosomów, ale teraz jesteśmy w stanie szybko zmienić ich konfigurację w różne projekty na potrzeby dalszych badań. Te syntetyczne chromosomy są naszym kluczem do odpowiedzi na podstawowe pytania biologiczne, oferując potencjał przełomowych osiągnięć, które ostatecznie mogą przynieść ludzkości ogromne korzyści” – dodał.

„Osiągnięcia wynikające z tej pracy obiecują utorować drogę przyszłym postępom w syntetycznej genomice, szczególnie w przypadku większych i bardziej złożonych chromosomów. Takie podejście może być korzystne w rozszyfrowaniu mechanizmów i lepszym zrozumieniu chorób genetycznych, a także w potencjalnym opracowaniu metod leczenia” – dodał Doktor Foo Jee Loon, asystent ds. badań Profesor z SynCTI, Syn Bio TRP i Zakładu Biochemii NUS Medicine, pierwszego autora pracy.