Наполовину синтетический геном
Семь с половиной хромосом дрожжей заменили на искусственно синтезированные, сделав дрожжевой геном более стабильным и менее замусоренным.
В ДНК вирусов, бактерий, дрожжей, растений, мышей можно менять одну генетическую букву на другую, вырезать и добавлять более или менее обширные блоки букв, вплоть до целых генов. Для этого есть набор биотехнологических инструментов, среди которых один из самых известных — генетический редактор CRISPR/Cas с его многочисленными вариациями. Можно пойти дальше, от отдельных генов на уровень хромосомы или нескольких хромосом. В прошлом году мы рассказывали о том, как мышам сшили хромосомы, опять же с помощью редактора CRISPR/Cas. Однако сшивки, или добавления-удаления хромосом — это манипуляции с уже имеющимися хромосомами. А если задача заменить хромосому на полностью искусственную? Тут нужно, во-первых сделать большую и даже очень большую молекулу ДНК, во-вторых, внедрить её в организм.
Правда, если речь идёт о вирусах или бактериях, то тут проблем нет. Вирусы устроены довольно просто, и пока они размножаются в клетке, им можно подменить естественную нуклеиновую кислоту на искусственную. С бактериями будет сложнее, но не слишком: бактериальный геном — это одна большая хромосома и маленькие кольцевые ДНК под названием плазмиды; и хромосома, и плазмиды не ограничены никаким специальным ядром. Плазмиды в бактерий внедряют уже очень давно, это рутинная лабораторная процедура; есть и бактерии с полностью синтетическими хромосомами. Генетические манипуляции с бактериальным геномом дошли до того, что с ним довольно смело экспериментируют, пытаясь создать клетки, которые обходятся минимальным набором генов (о таких экспериментах мы уже писали несколько лет назад). Но если взять эукариотические организмы, то тут становится всё непросто. Во-первых, у эукариот хромосомы намного больше, и очень редко бывает, чтобы хромосома была одна. Во-вторых, геном у эукариот хранится в клеточном ядре.
Впрочем, сейчас есть методы, позволяющие собирать очень большие молекулы ДНК, и есть методы, позволяющие успешно внедрять ДНК извне в разные эукариотические клетки. Ещё в 2006 году был запущен большой проект синтетического генома дрожжей, в котором участвует множество лабораторий по всему миру. И вот сейчас в журналах Cell и Cell Genomics вышло десять статей с промежуточными итогами. Главный результат в том, что из шестнадцати дрожжевых хромосом синтетическими сделали семь с половиной. Но их не копировали один в один с натуральных хромосом. Кстати, стоит сказать, зачем вообще занимаются синтетическими геномами. Дело в том, что в ДНК всегда есть довольно много мусора, и хотя сейчас у разных форм этого мусора находят ту или иную функцию, всё же есть основания полагать, что часть генома бывает просто не нужна. Геном не есть нечто идеальное и совершенное. В нём, например, накапливаются бывшие вирусы и «прыгающие гены» транспозоны, в нём есть проблемные участки, из-за которых хромосомы могут неправильно разойтись по дочерним клеткам, или же какой-то участок вдруг уходит от одной хромосомы и приходит к другой, а такие перестановки в геноме не всегда заканчиваются хорошо. В синтетическом геноме подобные вещи можно исправить.
У дрожжей убрали последовательности, которые очень много раз повторяются (такие повторы возникают как побочный эффект при копировании ДНК, и бывает, что некоторые участки умножаются чаще других). Ещё исследователи собрали на отдельной хромосоме все гены транспортных РНК, или тРНК. Транспортные РНК нужны при синтезе белка, они приносят аминокислоты белоксинтезирующей машине — рибосоме и сопутствующим белкам. Из аминокислот, которые приносят тРНК, синтезируется полипептидная цепь. Видов транспортных РНК в клетке столько же или даже больше, сколько и белковых аминокислот. При этом гены тРНК часто оказываются причиной хромосомной нестабильности, то есть из-за них случаются неожиданные хромосомные перестройки там, где они располагаются. В естественном геноме гены тРНК разбросаны по нескольким хромосомам. Сейчас их собрали в одну специальную полностью искусственную хромосому, чтобы они не добавляли неожиданностей другим хромосомам.
Искусственные хромосомы внедряли в дрожжи сначала по одной. То есть получалась одна линия дрожжей с какой-то одной искусственной хромосомой и с пятнадцатью другими натуральными, в другой линии дрожжей единственная искусственная хромосома была другой и так далее. Дрожжи размножаются почкованием, когда на материнской клетке появляется полностью копирующая её дочерняя, но у них также есть и половой процесс, когда две клетки обмениваются геномом. Вот с помощью полового процесса удалось собрать все искусственные хромосомы в одной линии дрожжей. Не всегда всё шло гладко, и большая часть времени уходила на то, чтобы устранить клеточно-молекулярные поломки, связанные с появлением синтетических хромосом. Тем не менее, в итоге получились дрожжи с наполовину искусственным геномом, которые нормально размножались. В перспективе исследователи хотят все хромосомы заменить на синтетические. С одной стороны, это будет доказательством, что такие вещи в принципе возможны. С другой стороны, возможность синтетических геномов откроет новые перспективы в биотехнологии. Чтобы научить организм (те же дрожжи) той или иной химической реакции, необязательно будет внедрять новые гены в природные хромосомы, которым такая процедура не всегда нравится; можно будет просто переконструировать синтетические хромосомы, которые с самого начала будут более удобными для молекулярно-генетических манипуляций.
