Naukowcy stworzyli w laboratorium szczep drożdży, którego genom składa się w blisko połowie z syntetycznego DNA. Drożdże piwne, na których prowadzono badania, posiadają 16 chromosomów. W nowym szczepie 7,5 z tych chromosomów zostało wytworzonych sztucznie.
We wcześniejszych badaniach naukowcy tworzyli już syntetyczne genomy bakterii czy wirusów, ale nowe prace dotyczą drożdży, czyli organizmu eukariotycznego, którego komórki mają jądro. Wykorzystany przez badaczy gatunek drożdży, Saccharomyces cerevisiae, zawiera 16 chromosomów i stanowi znacznie większe wyzwanie niż bakterie, które zazwyczaj mają jeden chromosom, jak chociażby bakteria Escherichia coli, i znacznie mniejsze DNA.
W serii artykułów naukowych opublikowanych na łamach „Cell”, „Molecular Cell” oraz „Cell Genomics” naukowcy z rozpoczętego w 2006 roku Synthetic Yeast Genome Project poinformowali o stworzeniu syntetycznych wersji wszystkich 16 chromosomów drożdży. Co więcej, blisko połowę sztucznych wersji chromosomów wprowadzili do komórek, które po takim zabiegu nadal rozwijały się i rozmnażały, jak zwykłe drożdże.
- To kamień milowy, nad którym pracowaliśmy od dawna – mówi genetyk Jef Boeke z New York University Langone Health, szef projektu.
We wcześniejszych pracach tworzono już organizmy z syntetycznym DNA. Jednak były to stosunkowo proste organizmy, z prostą konfiguracją wewnątrz. Bakterie są prokariotami, co oznacza, że są pojedynczymi komórkami, bez jądra komórkowego przechowującego chromosomy. Naukowcy z całego świata zrzeszeni w Synthetic Yeast Genome Project od 2006 roku prowadzą badania nad stworzeniem w pełni syntetycznego organizmu eukariotycznego. Eukarionty to organizmy posiadające komórki przechowujące swój materiał genetyczny w jądrze i obejmują rośliny, zwierzęta oraz ludzi.
Uczeni wzięli za cel drożdże. Dlaczego? Drożdże to stosunkowo dobrze poznane organizmy. Wykorzystujemy je od tysięcy lat do różnych rzeczy. Pieczenie chleba czy warzenie piwa to tylko jedne z bardziej oczywistych zastosowań. Ale drożdże są wykorzystywane również do produkcji różnych substancji chemicznych. Do tego mają względnie zwarty genom i badaczom łatwo jest tworzyć w ich komórkach syntetyczne chromosomy. Naukowcy mają nadzieję, że sztuczne organizmy wytworzone na bazie drożdży mogłyby pewnego dnia wytwarzać leki czy paliwo. Opracowanie syntetycznych genomów może również ułatwić modernizację wielu organizmów kluczowych dla przemysłu, rolnictwa i medycyny.
Naukowcy majstrowali przy genomach drożdży i wielu innych organizmów, korzystając z technologii edycji genomu, takich jak CRISPR. Jednak zbudowanie nowej wersji od podstaw otwiera drogę do wprowadzenia większych zmian w genomie organizmu i zagłębienia się w jego organizację, funkcję i ewolucję.
W 2014 roku udało się stworzyć syntetyczny chromosom, pierwszy z 16 chromosomów drożdży. W 2017 roku dodano kolejnych pięć syntetycznych chromosomów. Teraz badacze stworzyli sztuczne wersje wszystkich 16 z chromosomów drożdży. Zespoły badawcze zrzeszone w projekcie opracowywały po jednym chromosomie. Oryginalne geny zastąpiono ich sztucznymi wersjami. Innymi słowy, naukowcy podmienili to, co zaprojektowała natura, na identycznie wyglądający materiał genetyczny, tyle że poskładany w laboratorium.
Zespół z Wielkiej Brytanii kierowany przez dr Bena Blounta z Uniwersytetu w Nottingham i profesora Toma Ellisa z Imperial College w Londynie opracował chromosom XI. Skonstruowana sekwencja DNA składa się z około 660 tys. par zasad — czyli „liter” tworzących kod DNA. Chromosom III - pierwszy z syntetycznych chromosomów opracowany w 2014 roku, zawierał 273 871 par zasad DNA . To mniej niż w oryginale, bo taki ma 316 667 par zasad. Ale naukowcy usunęli niektóre z jego elementów i dodali nowe.
Uczeni przede wszystkim chcieli wyeliminować potencjalne źródła niestabilności w genomie drożdży. Jednym z nich są duże odcinki powtarzającego się DNA, które niczego nie kodują, ale mogą łączyć się ze sobą w naturalnych procesach, powodując poważne zmiany strukturalne w genomie. Biolodzy syntetyczni chcą mieć pełną kontrolę nad zmodyfikowanymi drożdżami, dlatego zespół przeczesał genom S. cerevisiae za pomocą programów komputerowych, aby znaleźć wysoce powtarzalne regiony, a następnie je usunął. - Sekwencje te są w rzeczywistości pasożytami genomu – powiedział Boeke. Badacze dodali też tysiące modyfikacji, upraszczając jego strukturę, zwiększając stabilność i ułatwiając badania.
Inny z zespołów badawczych, kierowany przez biologa Yizhi Cai z Uniwersytetu w Manchesterze, stworzył zupełnie nowy, 17. chromosom drożdży. Uczeni umieścili w nim usunięte z chromosomów segmenty DNA kodujące transportujące RNA. tRNA ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania komórki — przenosi aminokwasy do maszynerii, która wytwarza z nich białka. Jednak kodujące je sekwencje DNA stwarzają wiele problemów, jak to określił Cai, bo są głównymi miejscami uszkodzeń DNA.
Umieszczając 275 genów tRNA drożdży w nowym chromosomie, naukowcy mieli nadzieję je „oswoić”. Przeniesienie ich do ich własnego chromosomu, zaprojektowanego z myślą o większej stabilności, było dla zespołu sposobem na uzyskanie większej kontroli nad syntetycznymi drożdżami.
- Pokazaliśmy, że wszystkie chromosomy można z powodzeniem zbudować od podstaw, stosując te same zasady projektowania – powiedział biolog Yue Shen z BGI Research, który kierował jednym z zespołów.
Pozostało włączyć chromosomy do tej samej komórki drożdży i ustalić, czy jest ona zdrowa. W tym celu naukowcy stworzył szczepy drożdży, z których każdy zawierał jeden ze zmodyfikowanych chromosomów, wraz z naturalnymi wersjami pozostałych 15. Następnie wielokrotnie łączyli te komórki sprawdzając, czy komórki potomne mają więcej niż jeden syntetyczny chromosom. Poprzez powtarzanie tej procedury ostatecznie wytworzyli drożdże zawierające siedem pełnowymiarowych syntetycznych chromosomów i fragment jeszcze jednego.
Proces ten był czasochłonny. Uczenie musieli sprawdzać, czy każda komórka drożdży zawierająca syntetyczny chromosom może przetrwać i normalnie funkcjonować. Dodatkowe problemy pojawiły się, gdy w komórce znalazły się dwa sztuczne chromosomy. Ale wszystko udało się rozwiązać, m in. dzięki zastosowaniu technologii edycji genów CRISPR-Cas9.
Przy tych wszystkich zmianach komórki, które ostatecznie otrzymały 7,5 syntetycznego chromosomu, żyły, rozwijały się i mogły się replikować. To pierwszy organizm eukariotyczny, którego materiał genetyczny w niemal 50 proc. jest syntetyczny. - Jesteśmy już w połowie drogi – przyznał Boeke.
Ale syntetyczny genom nie ma być prostą kopią naturalnego. Został zaprojektowany z nowymi cechami, które zapewniają komórkom nowe możliwości, niespotykane w naturze. Jedna z tych funkcji pozwala badaczom zmusić komórki do przemieszania genomu, tworząc miliony różnych wersji komórek o różnych cechach, które mogą znaleźć zastosowanie w medycynie czy biotechnologii.
- Syntetyczne chromosomy same w sobie stanowią ogromne osiągnięcie techniczne. Dają również ogromne możliwości. Może to obejmować tworzenie nowych szczepów drobnoustrojów na potrzeby bardziej ekologicznej bioprodukcji, aż po pomoc w zrozumieniu chorób i ich zwalczania – powiedział Ben Blount z Uniwersytu w Nottingham. - Projekt dotyczący syntetycznego genomu drożdży to fantastyczny przykład nauki na dużą skalę, który został osiągnięty przez dużą grupę badaczy z całego świata – dodał.
Konsorcjum Synthetic Yeast Genome Project pracuje obecnie nad zastąpieniem pozostałych naturalnych chromosomów ich syntetycznymi wersjami. Ostateczne zakończenie projektu planowane jest na przyszły rok.
Źródło: Nature, Science, University of Nottingham, fot. Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy/CC BY-SA 3.0
