За прошлые пять лет ученые построили бактериальные хромосомы и вирусную ДНК, но это – первое сообщение обо всей эукариотической хромосоме, нитевидная структура, которая несет гены в ядре всех клеток растений и животных, построенных с нуля. Исследователи говорят, что глобальные усилия их команды также отмечают один из наиболее значительных шагов вперед в генетике дрожжей с 1996, когда ученые первоначально планировали весь кодекс ДНК дрожжей или генетический проект.«Наше исследование перемещает иглу в синтетическую биологию от теории до действительности», говорит доктор Боек, пионер в синтетической биологии, который недавно присоединился к Нью-Йоркскому университету Langone из Университета Джонса Хопкинса.
«Эта работа представляет самый большой шаг все же в международных усилиях построить полный геном синтетических дрожжей», говорит доктор Боек. «Это – наиболее экстенсивно измененная хромосома, когда-либо построенная. Но этап, который действительно учитывается, интегрирует его в живущую дрожжевую клетку. Мы показали, что дрожжевые клетки, несущие эту синтетическую хромосому, удивительно нормальны. Они ведут себя почти тождественно к диким дрожжевым клеткам, только они теперь обладают новыми возможностями и могут сделать вещи, что дикие дрожжи не могут».
В проблеме этой недели Науки онлайн 27 марта, команда сообщает, как, используя автоматизированное проектирование, они построили полностью функционирующую хромосому, которую они называют synIII, и успешно включили его в пивные дрожжи, известные с научной точки зрения как Saccharomyces cerevisiae.Семилетнее усилие построить synIII связало приблизительно 273, 871 пару оснований ДНК, короче, чем ее коллега дрожжей по рождению, у которого есть 316 667 пар оснований. Доктор Боек и его команда сделали больше чем 500 изменений к ее генетической основе, удалив повторяющиеся разделы приблизительно 47 841 пары оснований ДНК, которую считают ненужной к воспроизводству хромосомы и росту.
Также удаленный был тем, что обычно называют ДНК барахла, включая пары оснований, которые, как известно, не закодировали для каких-то конкретных белков, и «подскакивающего гена» сегменты, которые, как известно, беспорядочно перемещали и вводить мутации. Другие наборы пар оснований были добавлены или изменились, чтобы позволить исследователям пометить ДНК как синтетический продукт или местного жителя, и удалить или переместить гены в synIII.
«Когда Вы изменяете геном, Вы играете на деньги. Одно неправильное изменение может убить клетку», говорит доктор Боек. «Мы передали 50 000 изменений кодекса ДНК в хромосоме, и наши дрожжи все еще живут. Это замечательно. Это показывает, что наша синтетическая хромосома вынослива, и это обеспечивает дрожжи новыми свойствами».
Геракловому усилию помогли приблизительно 60 студентов бакалавриата, зарегистрированных в, «Разрабатывают Геном» проект, основанный доктором Боеком в Джонсе Хопкинсе. Студенты соединили короткие отрывки синтетической ДНК в отрезки 750 – 1 000 пар оснований или больше, усилие во главе со Сринивасаном Чандрэзегараном, доктором философии, преподавателем в Джонсе Хопкинсе. Чандрэзегаран – также главный следователь исследований команды synIII.
Студенческое участие начало то, что стало международными усилиями, названными Sc2.0, если коротко, в котором несколько академических исследователей сотрудничали, чтобы восстановить весь геном дрожжей, включая сотрудников в университетах в Китае, Австралии, Сингапуре, Соединенном Королевстве, и в другом месте в США.Хромосома дрожжей III была отобрана для синтеза, потому что это среди самых маленьких из 16 хромосом дрожжей и средств управления, как помощник дрожжевых клеток и претерпевает генетическое изменение.
ДНК включает четыре определяемых письмом основных макромолекулы, натянутые вместе в соответствии наборам или парам оснований, в образце повторяющихся писем. «A» обозначает аденин, соединенный с «T» для тимина; и «C» представляет цистеин, соединенный с «G» для гуанина. Когда сложено, эти пары оснований формируют винтовую структуру ДНК, напоминающей искривленную лестницу.Дрожжи разделяют примерно одну треть своих 6 000 генов – функциональных единиц хромосомной ДНК для кодирования белков – с людьми. Команда смогла управлять большими разделами ДНК дрожжей, не ставя под угрозу хромосомную жизнеспособность и функцию, используя так называемый метод борьбы, который позволил ученым перетасовывать гены как палуба карт, где каждый ген – карта. «Мы можем сплотить любую группу карт, перетасовать заказ и сделать миллионы и миллионы различных палуб, все в одной маленькой трубе дрожжей», говорит доктор Боек. «Теперь, когда мы можем перетасовать геномную палубу, она позволит нам спрашивать, можем мы делать палубу карт с преимуществом для того, чтобы заставить дрожжи выжить под любым множеством условий, таких как признание более высоких уровней алкоголя».
Используя взбирающуюся технику, исследователи говорят, что они будут в состоянии более быстро развивать синтетические напряжения дрожжей, которые могли использоваться в изготовлении редких лекарств, таких как артемизинин для малярии, или в производстве определенных вакцин, включая вакцину от гепатита B, который получен из дрожжей. Синтетические дрожжи, они говорят, могли также использоваться, чтобы поддержать развитие более эффективного биотоплива, такого как алкоголь, бутанол и биодизель.Исследование также, вероятно, поощрит лабораторные расследования определенной функции гена и взаимодействий между генами, добавляет доктор Боек, чтобы понять, как целые сети генов определяют отдельные биологические поведения.
Их начальный успех, восстанавливающий функционирующую хромосому, вероятно, приведет к строительству других хромосом дрожжей (у дрожжей есть в общей сложности 16 хромосом, по сравнению с 23 парами людей), и переместите генетическое исследование один шаг ближе к строительству всего функционирующего генома организма, говорит доктор Боек.Доктор Боек говорит, что следующие шаги международной команды включают синтезирующие большие хромосомы дрожжей, быстрее и более дешевые. Его команды, с дальнейшей поддержкой со стороны Строят Геном студенты, уже работает над сборкой пар оснований в кусках больше чем 10 000 пар оснований.
Они также планируют исследования synIII, где они зашифровывают хромосомы, удаления, дублирования или изменения генного заказа.Детализация знаменательного процесса исследованияПрежде, чем проверить взбирающуюся технику, исследователи сначала оценили репродуктивную физическую форму synIII, сравнив его рост и жизнеспособность в его восстановленном от – от единственной клетки до колонии многих клеток – с теми из родных дрожжей III.
Быстрое увеличение дрожжей было измерено под 19 различными условиями окружающей среды, включая изменения в температуре, кислотности, и перекиси водорода, повреждающем ДНК химикате. Темпы роста остались тем же самым для всех кроме одного условия.
Дальнейшие тесты восстановленного synIII, включая приблизительно 30 различных колоний после 125 клеточных делений, показали, что его генетическая структура осталась неповрежденной, поскольку он воспроизвел. По словам доктора Боека, отдельная потеря хромосомы каждого миллионного клеточного деления нормальна, поскольку клетки делятся.
Ставки хромосомы потерь для synIII были только незначительно выше, чем для родных дрожжей III.Чтобы проверить взбирающуюся технику, исследователи успешно преобразовали не сцепляющуюся клетку с synIII к клетке, которая могла сцепиться, устранив ген, который препятствовал тому, чтобы он сцепился.