Американским ученым удалось получить дрожжи, треть генома которых — искусственного происхождения. Биологи в рамках программы по созданию синтетического организма создали пять усовершенствованных хромосом, выбросив из них ДНК, нестабильную и ненужную для жизнедеятельности клеток.
В конце апреля 1996 года американские ученые сообщили о том, что они сумели секвенировать геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae. ДНК данного вида одноклеточных грибов состоит из 12 миллионов пар оснований и содержится в 16 хромосомах. Чтобы это все проделать, ученым потребовалось усилия около сотни научных лабораторий и 12 лет работы.
С началом нового столетия в науке появилось новое направление, получившее название синтетической биологии. Ученые, которые работают в данной сфере, в лабораторных условиях создают разного рода системы из нуклеиновых кислот и белков, стремясь в конечном итоге получить искусственный организм. Одним из разделов синтетической биологии является синтетическая геномика, которая посвящена попыткам ученых собрать геномы, которые в будущем могут послужить основой для создания живых синтетических организмов.
Группа американских ученых из Университета Джонса Хопкинса во главе с Джефом Боке в 2011 году запустили программу по созданию синтетического генома. Основная цель проекта заключалась в получении новой версии генома пекарских дрожжей. Выбор пал на дрожжи не только потому, что у них относительно небольшой геном, но и потому, что данный вид эукариотических организмов является одним из наиболее изученных организмов на Земле, и ученые хорошо знают, какие функции выполняют в клетках определенные гены. Благодаря этим знаниям ученые надеются создать улучшенный геном дрожжей.
Ученые отмечают, что геномы дрожжей на самом деле далеки от идеала. Их ДНК подвержена разного рода мутациям, в частности, выпадению и вставкам нуклеотидов, изменениям структуры хромосом и удвоению участков. Помимо этого, в ДНК могут присутствовать так называемые псевдогены и генетические мобильные элементы (неработающие гены и ретротранспозоны), которые имеют способность самовоспроизводиться и распространяться по геному.
Безусловно, изменения в ДНК влекут за собой возникновение новых признаков и свойств у организмов. В то же время эволюция, основной движущей силой которых являются случайные процессы, не придерживается принципов эффективности и экономии. Таким образом, большая часть генома дрожжей состоит либо из мертвой ДНК, либо из такой ДНК, которая занимается бесполезным самокопированием. Помимо этого, большое количество повторяющихся последовательностей приводит к потере геномом стабильности, что делает его более уязвимым для различных мутаций. Исследователи, в отличие от природы, способны перестраивать геномы целенаправленно, таким образом, чтобы оставалась только та ДНК, которая необходима для жизнедеятельности.
В рамках нового исследования ученые попытались синтезировать несколько хромосом дрожжей, убрав из них повторяющиеся последовательности ДНК, транспозоны и много интронов – участков гена, некодирующих белки. Помимо этого, они перекодировали короткие фрагменты ДНК, которые состоят из трех нуклеотидов – так называемые TAG-кодоны.
Смысл всех этих изменений заключается в том, что существует три стоп-кодона. В то же время, процесс синтеза белка без наличия одного из двух белков – факторов терминации трансляции (RF1, RF2) – не прервется. RF1 при этом обслуживает кодоны UAG и UAA, а RF2 – UGA и UAA. Если преобразовать все кодоны UAG в UAA, клетка больше не будет зависеть от белка RF1.
Еще одно изменение касается транспортных РНК, которые принимают участие в синтезе белков и доставляют к растущей полипептидной цепи необходимые аминокислоты. Последовательности транспортной РНК закодированы в генах, которые расположены на разных хромосомах. Исследователи переместили со своих мест эти гены в специально созданную хромосому, которая кодирует только транспортные РНК.
Процесс изменения природных хромосом искусственными крайне сложен, поэтому выполнить его в один шаг невозможно. Специалисты применили процесс гомологической рекомбинации, при которой между похожими ДНК происходит обмен фрагментами. Ученые постепенно заменяли участки хромосом, длина которых составляла 30-60 тысяч нуклеотидов. Разные лаборатории занимались разными хромосомами. В конечном итоге удалось получить отдельные штаммы дрожжей, и в каждом из них была заменена одна из хромосом. Чтобы объединить их в едином организме, ученые скрещивали эти штаммы друг с другом.
Таким образом, исследователи сумели получить дрожжи, геном которых на одну треть синтетический. Как отмечают авторы проекта, в общей сложности на реализацию проекта может быть потрачено порядка миллиона долларов.
Специалисты, которые занимаются синтетической геномикой, преследуют несколько целей. В первую очередь, они стремятся более подробно изучить значение строения генома и других процессов, которые связаны с ДНК, функции хромосом, а также узнать, какое влияние оказывают на геном эволюционные процессы.
Кроме того, исследования в данной сфере дадут возможность производить организмы с необходимыми свойствами. К примеру, исследователи смогут получить искусственные бактерии-биофабрики, которые будут производить биотопливо или новые антибиотики. Получение новых антибиотиков имеет большое значение и наиболее актуально, потому как на планете все больше распространяются микроорганизмы с повышенной устойчивостью к антибактериальным препаратам. Помимо этого, синтетические организмы могут выживать в экстремальных условиях, в частности, в шахтных водах, очищая их от загрязняющих веществ и тяжелых металлов.
Свежие комментарии