В США создали синтетическую форму жизни

[Король Альтов]

https://lenta.ru/articles/2017/03/10/synthetic/

В США создали синтетическую форму жизни

Ферментация теста Фото: Allagash Brewing / Flickr

Американские ученые получили дрожжи, треть генома которых — искусственная. В рамках проекта по созданию синтетического организма биологи изготовили пять усовершенствованных хромосом, из которых была выброшена нестабильная и ненужная для жизнедеятельности клеток ДНК. «Лента.ру» рассказывает о новой работе исследователей из Университета Джона Хопкинса.
24 апреля 1996 года ученые сообщили в журнале Science, что им удалось впервые секвенировать геном эукариотических организмов — дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Вся ДНК этих одноклеточных грибов содержится в 16 хромосомах и в совокупности состоит из 12 миллионов пар оснований. На это потребовалось 12 лет и усилия сотни лабораторий.

В 2000-х годах в науке возникло новое направление — синтетическая биология. Исследователи, работающие в этой сфере, создают в лабораториях различные системы из белков и нуклеиновых кислот, чтобы в конечном итоге получить искусственный организм. Один из разделов синтетической биологии — синтетическая геномика, посвященная попыткам заново собрать геномы, которые послужат основой для будущих живых «синтетиков».

Природа ошибается

В 2011 году американские ученые из Университета Джонса Хопкинса под руководством Джефа Боке (Jef Boeke) запустили проект по созданию синтетического генома (Synthetic Yeast Genome Project). Его цель — получение новой версии генома пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae — Sc2.0. Почему именно дрожжей? Не только потому, что у этих эукариотов сравнительно маленький геном. Важно, что S.cerevisiae — один из самых изученных организмов на планете, и ученым известно, какие функции выполняют те или иные гены в клетках. Эти знания необходимы для того, чтобы построить «улучшенный» геном дрожжей.
На самом деле геномы эукариотов далеки от идеала. Мало того что ДНК подвержена таким мутациям, как вставки и выпадения (делеции) нуклеотидов, удвоения участков или изменения структуры хромосом. В ней также могут присутствовать неработающие гены (псевдогены) и мобильные генетические элементы (ретротранспозоны), способные самовоспроизводиться и распространяться по всему геному.

Конечно, изменения в ДНК приводят к возникновению новых свойств и признаков у организмов, однако эволюция, двигателем которой служат случайные процессы, не следует принципам экономии и эффективности. В результате большая часть генома эукариотов состоит из ДНК, которая либо «мертва», либо занимается бесполезным для клетки самокопированием. Кроме того, из-за большого количества повторяющихся последовательностей геном теряет в стабильности, что делает его более подверженным мутациям. В отличие от природы, ученые могут целенаправленно перестраивать геномы так, чтобы оставалась только необходимая для жизнедеятельности ДНК.

[Король Альтов]

Версия 2.0

Отдельная хромосома состоит из плотно упакованной спирали ДНК Изображение: Chris Bickel / Science (2017)

В новой работе в рамках проекта Sc2.0 ученые синтезировали несколько хромосом S.cerevisiae, убрав из них все транспозоны, повторяющиеся последовательности ДНК и множество интронов — некодирующих белки участков гена. Более того, они перекодировали кодоны TAG — короткие фрагменты ДНК, состоящие из трех нуклеотидов (T, A и G). Дело в том, что в процессе транскрипции, когда на основе гена синтезируется матричная РНК (мРНК), TAG-кодоны конвертируются в UAG-кодоны (T заменяется на U). При синтезе белка мРНК проходит через рибосомы, а UAG служит стоп-сигналом, прерывающим процесс. Исследователи изменили TAG на TAA, который конвертируется в другой стоп-кодон — UAA.
Какой в этом смысл? Всего существует три стоп-кодона — UAG, UAA, и UGA. Однако процесс синтеза белка не прервется без наличия одного из двух белков, называемых факторами терминации трансляции, — RF1 и RF2. При этом RF1 «обслуживает» кодоны UAA и UAG, а RF2 — UAA и UGA. Если превратить все UAG в UAA, клетка уже не будет зависеть от RF1.
Еще одна модификация касается транспортных РНК (тРНК). Эти молекулы участвуют в синтезе белков и подобно грузовикам «подвозят» необходимые аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Последовательности тРНК закодированы в генах, расположенных на разных хромосомах. Ученые переместили гены со своих мест в специально созданную хромосому, кодирующую только тРНК.
Природные хромосомы на искусственные очень трудно заменить в один шаг. Ученые воспользовались процессом гомологичной рекомбинации, когда происходит обмен фрагментами между похожими ДНК. Шаг за шагом исследователи заменяли участки хромосом длиной в 30-60 тысяч нуклеотидов. Разными хромосомами занимались разные лаборатории. В конце концов были получены отдельные штаммы дрожжей, в каждом из которых была заменена одна из хромосом. Для их объединения в одном организме штаммы скрещивали друг с другом.
Таким образом удалось создать дрожжи, чей геном на одну треть является синтетическим. По оценкам авторов работы, всего на проект Sc2.0 может быть потрачено более миллиона долларов.

[Король Альтов]

Для чего это надо

Пекарские дрожжи Фото: Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy / Wikimedia

Ученые, занимающиеся синтетической геномикой, преследуют две цели. Во-первых, подробнее изучить функции хромосом, значение организации генома, других процессов, связанных с ДНК, а также влияние эволюционных процессов.

Во-вторых, исследования в этой области позволят создавать организмы с нужными свойствами. Например, ученые могут получить сообщества искусственных бактерий-биофабрик, производящих биотопливо или новые антибиотики. Последнее особенно актуально, поскольку в мире все большее распространение получают микроорганизмы, устойчивые к антибактериальным препаратам. Кроме того, синтетические существа способны выживать в таких экстремальных условиях, как шахтные воды, очищая их от тяжелых металлов и других загрязняющих веществ.