The Ultimate GMO: дрожжи с полностью искусственными хромосомами

Международная группа из более чем 200 ученых опубликовала в журнале Science последние результаты проекта Synthetic Yeast Project (Sc2.0), конечной целью которого является создание пекарских дрожжей с полностью синтетическим геномом. На данный момент синтезированы 6 хромосом, которыми заменили их природные аналоги. Организмы Saccharomyces cerevisiae, полученные в результате, вполне жизнеспособны и обладают несколькими заранее заданными сложными дизайнерскими свойствами.

Эукариоты – «нормальноядерные» – организмы, у которых генетический материал заключен в отдельную органеллу, окруженную мембраной-оболочкой, – ядро. Упрощенно можно сказать, что все живое, не являющееся бактериями (у них нет ядра), – эукариоты. Дрожжи – образцовый организм-эукариот как для обычного человека (достаточно вспомнить, как получаются хлеб и пиво), так и для биотехнолога. Будучи так называемым модельным организмом, дрожжи обладают наилучшими свойствами для изучения базовых процессов жизни клеток эукариот. Неудивителен, соответственно, и выбор организма командой Sc2.0 для столь беспрецедентных вмешательств.

Базовый принцип дизайна нового генома, декларируемый командой, – достичь баланса между сохранением фенотипа «дикого вида» (внешних характеристик природного варианта подвида S288C), введением индуцированной геномной «подвижности» и удалением источников геномной нестабильности.

Хромосомы, назначенные для синтеза подкомандам

Сохранение фенотипа достигается за счет сохранения собственно генов. Их порядок и количество на хромосомах решили не менять, за исключением отдельных важных специфических групп.

Индуцирование геномной «подвижности» достигается за счет рекомбинационной системы SCRaMbLE, которая тасует участки хромосом при подаче определенного сигнала на специально введенные в геном на стратегические места участки loxPsym. Этим достигается возможность включения симуляции одного из глобальных, «больших» механизмов эволюции на масштабе всего генома. В то же время, ученые попытались удалить такой масштабный источник геномной эволюции, как мобильные элементы, которые при определенных условиях сами себя «копипастят» или «катпастят» с непредсказуемым результатом. Можно сказать, что ученые взяли макроэволюцию генома дрожжей из рук случайности в свои.

Другие изменения самого кода включают выделение генов трансферных РНК на отдельную неохромосому, удаление множества интронов, включение в геном специальных тегов для удобства различения в клетках синтетических и естественных хромосом, а также включение спецучастков для упрощения сборки хромосом. Среднее расстояние между участками, отличающими синтетический геном от естественного, мало – около 400 базовых пар ДНК.

Синтез, при всей своей революционности, все же происходил не с нуля, а путем удаления и присоединения новых участков к естественным хромосомам (иерархическая рекомбинация). Для ускорения процесса разные хромосомы были заданы для синтеза подкомандам в разных странах. Сборка нескольких искусственных хромосом в одной клетке также происходит иерархически.

Используя методы фенотипирования, структурной и функциональной геномики, ученые убедились в нормальном функционировании синтетических дрожжей. Один из таких методов контроля успешного хода проекта — контактный анализ хромосом. Современный метод Hi-C позволяет анализировать внутреннюю структуру ядра путем вычисления вероятностей контактов хромосом самих с собой и между собой на разных участках. Трехмерная версия такой визуализации наглядно показала, что искусственные хромосомы, несмотря на свою укороченность (удалены интроны) и дизайнерские вставки, занимают положения в ядре, сходные со своими природными аналогами. На иллюстрации ниже каждая хромосома представляет собой пару ветвей разной длины, свисающих из определенной точки на своем протяжении – центромера (белые кружки вверху на A). Выделенные цветом искусственные хромосомы на B, C и D однозначно в целом соответствуют своим аналогам на A по положению и ориентации. Следует заметить, что эта визуализация – именно вероятностно-усредненная по миллиардам клеток, так что показаны не «положения» ветвей, а нечто отдаленно ассоциирующееся с квадратом модуля пси-функции в квантовой механике.

Работа по сборке велась и ведется «снизу вверх», с полным компьютерным моделированием, пошаговым синтезом участков с последующим дебаггингом. На данный момент команда не столкнулась с серьезными принципиальными багами, которые бы поставили под вопрос возможность реализации проекта или теоретическую базу дизайна.

Synthetic Yeast Project — наиболее значительный «акт творения» живого человеком на сегодняшний день. Дрожжи теперь станут не только самым изученным эукариотом, но и точкой опоры, благодаря которой можно учиться путем создания. Книгу жизни вряд ли можно понять, не попытавшись ее написать.

Команда планирует закончить сборку организма к концу 2017 года.