Дослідникам з Нью-Йорка вдалося створити повністю функціональну штучну хромосому хлібопекарських дріжджів Saccharomyces cerevisiae. Хромосома – це велика молекулярна структура, що містить близько 90 % генетичної інформації клітини. Отож вдалося створити одну з фундаментальних «цеглин» життя, яка, якщо й не є штучним життям як таким, однак становить собою вагомий крок на шляху до нього.
Схематичне зображення хромосоми хлібопекарських дріжджів.
На відміну від попередніх організмів, з якими працювали вчені, S. cerevisiae належать до домену еукаріотів, до якого зараховують також усіх тварин та людей. Еукаріоти – організми, клітини яких мають ядра, – мають набагато складніший геном, ніж без'ядерні прокаріоти.
Нова синтетична хромосома, однак, позбавлена деяких послідовностей ДНК й інших елементів. Вона складається з 272871 пари основ, що становить приблизно 2,5% від загальної кількості пар геному S. cerevisiae, яких нараховують 12 млн.
Як повідомляють у журналі Science, повний геном S. cerevisiae вчені планують реконструювати потягом наступних п'яти років.
Проект стартував декілька років тому, коли генетик з Нью-Йоркського університету Джеф Боуке намагався відтворити геном S. cerevisiae, однак з набагато більшою кількістю відмінностей, ніж це було зроблено у підсумку.
Боуке та його колеґи вважали, що необхідно позбавити організм декількох функцій, щоб перевірити їхнє значення. Тільки так, на їхню думку, можна було виправдати величезні витрати на синтез цілої хромосоми.
«Я й не сумнівався, що це можливо зробити. Основне питання полягало в тому, як ми зможемо створити щось відмінне від нормальної хромосоми й упровадити його в живий організм», – роповідає вчений.
Науковці вирішили не впроваджувати в синтетичну хромосому кількох послідовностей ДНК, зокрема елементи з можливістю переміщення по геному, відомі як транспозони, а також ділянки ДНК, які не кодують білків – інтрони. Нарівні з цим, хромосому доповнили «системою перетворення» (scrambling system), яка перемішує та видаляє гени. Так вдалося з точністю визначити функції кожної з ділянок ДНК.
Через якийсь час Боуке дійшов висновку, що необхідно шукати нові шляхи синтезування окремих ділянок ДНК. Генетик найняв команду студентів з університету Джона Гопкінса, де у 2007 р. читав лекції. Кожний студент отримав завдання збудувати власну ділянку геному дріжджів, «зшиваючи» докупи короткі ділянки ДНК, створені машиною синтезу А, Ц, Т і Г-елементів. Довші ділянки ДНК дослідники послідовно вводили в дріжджеву хромосому. Ця методика називається гомологічною рекомбінацією.
Наприкінці цієї ретельної праці вчені одержали повністю синтетичну третю хромососу дріжджів S. cerevisiae.
Попри всі модифікації, дріжджеві клітини, що містили синтетичну хромососу, розвивалися й росли точно так само, як і всі інші.
«Ми видалили, додали і змінили більше 50 тисяч з 250 тисяч пар основ. Тим не менше, хромосома функціонувала», – повідомляє Боуке.
Натхненні успіхом, колеґи Боуке вирішили продовжити роботу й запропонували ще декілька ґрандіозних ідей. Наприклад, найближчим часом вони планують створити повністю синтетичний геном дріжджів. Такі дослідженні дають змогу проникнути в найглибші таємниці життя і збагнути його на молекулярному та клітинному рівнях.
Боуке вже набирає міжнародну команду біологів та генетиків з усього світу, щоб створити з нуля повністю синтетичний геном дріжджів. Щобільше, вчений стверджує, що половину послідовностей вже створено. Залишається лише завершити роботу і примусити синтетичне життя функціонувати.
«Ця робота є яскравим прикладом того, як можна використовувати синтетичну біологію, щоб переписати послідовності хромосом у значному масштабі. Дослідження Боуке є прелюдією й демонструє можливість широкого рефракторинґу й упорядкування інших хромосом», – кометує дослідження біолог Крейґ Вентер.
Генетики зазначають в прес-релізі, що близько 6 тисяч генів, які кодують білки, у людей і дріжджів однакові. Хтозна, можливо найближчими десятиліттями в лабораторії біологи синтезують і людську ДНК? Тим більше, що людський геном – не найскадніший в царстві живих організмів.
01.04.2014