Генетики создали дрожжи с наполовину синтетическим геномом

Руководители консорциума Sc2.0 (International Synthetic Yeast Genome (Sc2.0) consortium) отчитались в статье в журнале Cell об успехе очередного этапа проекта — создании штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae Syn7.5, половина хромосом которого была синтезирована в лаборатории. При этом в синтезированную ДНК были внесены множество особенностей, которые легко позволяют отличить лабораторный штамм от «диких» и могут облегчить дальнейшие манипуляции с его геномом. Глобальной целью проекта Sc2.0 является создание эукариотического организма с полностью синтезированным геномом.

Относительно молодая область генетики — синтетическая биология — одной из своих задач ставит развитие технологий сборки рекомбинантных молекул ДНК и целых геномов (пока что микроорганизмов). Для этой цели в ДНК вводятся элементы «генетического конструктора» (чаще всего позаимствованного у вирусов), позволяющие включать и выключать гены под действием химических веществ, вырезать или переворачивать куски хромосом, вставлять гены из других организмов. Такие ДНК-конструкторы уже активно применяются в биотехнологии для создания штаммов-продуцентов ценных молекул и лекарств.

Чтобы максимально упростить создание генома с заданными свойствами, проще всего было бы его синтезировать в лаборатории, а потом ввести в клетку, и сразу получить, например, нужного продуцента. Однако даже геномы бактерий состоят из миллионов пар оснований, что сильно усложняет задачу генетикам. После того как ученые в 2010 году продемонстрировали, что это возможно, на примере самой маленькой бактерии Mycoplasma mycoides, фокус синтетических биологов сместился на сборку генома кишечной палочки E.coli и дрожжевых хромосом (подробнее почитать о всех этих проектах можно в нашем тексте «С правом на переписку»). В 2019 году ученые отчитались о создании кишечной палочки с полностью синтезированным в лаборатории геномом, и на очереди остались дрожжи, которые являются центральным объектом в проекте Sc2.0.

Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют собой самую простую модель эукариотической клетки (наличие ядра и глобальный план строения клетки, и общность молекулярных механизмов, связанных с реализацией генетической информации, объединяют всех эукариот, включая человека). Их геном состоит из 16 хромосом, которые по отдельности пытались синтезировать в разных лабораториях, участвующих в консорциуме. На момент создания кишечной палочки с синтетическим геномом (и публикации нашего текста об этом) были готовы только 6 хромосом. Как сообщают участники проекта в свежей статье, на сегодняшний день все 16 хромосом по отдельности синтезированы, и существуют в виде 16 штаммов Syn, каждый из которых содержит одну синтетическую хромосому с введенными в нее метками.

Самой сложной задачей стало объединить все хромосомы в одном штамме. Чтобы это сделать, ученые обратились к методам классической дрожжевой генетики. Для этого скрещивали штаммы, несущие по одной синтетической хромосоме, получали гетерозигот (то есть штаммы как с «дикой», так и с искусственной хромосомой), а затем выключали в них методами генной инженерии «дикие» аналоги нужных хромосом, после чего отбирали споры, содержащие уже по две искусственные хромосомы. Таким образом удалось дойти только до штамма, несущего 6.5 искусственных хромосом. Штамм назвали Syn6.5, и в нем II, III, V, VI, половина IX, X и XII хромосомы заменены методом скрещивания. Самая большая, IV хромосома, была добавлена позже всех другим способом, основанном на использовании мутантных штаммов с неполным слиянием ядер. Таким образом был получен штамм Syn7.5, в котором половина генома была заменена.

Синтетические хромосомы отличаются от «диких» довольно сильно — генетики по максимуму постарались убрать оттуда некодирующие элементы, транспозоны (в общем, «мусорную» ДНК), и добавили «подпись», позволяющую легко отличить неродную хромосому. Кроме того, все стоп-кодоны TAG были заменены на TAA, таким образом, авторы штамма освободили целый кодон, который в перспективе (когда дрожжи с полностью синтетическим геномом будут готовы) можно занять новой аминокислотой.

Главной отличительной особенностью описанного штамма стало создание локусов на хромосомах, в которые исследователи вынесли все гены, кодирующие транспортные РНК. При этом, из дизайнерских хромосом эти гены были удалены. Такая манипуляция также связана с необходимостью ввести в аппарат синтеза белка возможность добавить дополнительную аминокислоту. Кроме того, удаление генов тРНК делает хромосомы стабильнее, и они меньше подвержены спонтанным перестройкам. В текущей стадии полученные штаммы отличаются сниженной жизнеспособностью, поэтому исследователи работают над поиском и устранением отдельных мутаций-«багов», для чего разработали модификацию метода CRISPR-Cas под названием CRISPR Directed Biallelic URA3-assisted Genome Scan (CRISPR D-BUGS), и лабораторной эволюцией на отбор мутаций, компенсирующих дефекты роста дизайнерских штаммов.

О том, как синтетическая биология помогает пивоварам и позволяет синтезировать опиоиды в дрожжах можно почитать здесь и здесь.