Naukowcy połączyli siedem syntetycznych chromosomów wytworzonych w laboratorium w jedną komórkę drożdży, w wyniku czego powstał szczep zawierający ponad 50% syntetycznego DNA, który przeżywa i replikuje się podobnie jak szczepy dzikich drożdży. Zespół zaprezentował półsyntetyczne drożdże 8 listopada w czasopiśmie Cell jako część zbioru artykułów z zakresu Cell, Molecular Cell i Cell Genomics, które przedstawiają projekt Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), globalne konsorcjum pracujące nad opracowaniem pierwszy syntetyczny genom eukariota od podstaw. Zespół zsyntetyzował i debugował wszystkie szesnaście chromosomów drożdży.
„Naszą motywacją jest zrozumienie podstawowych zasad genomu poprzez budowanie syntetycznych genomów” – mówi współautor i biolog syntetyczny Patrick Yizhi Cai z Uniwersytetu w Manchesterze, który jest także starszym autorem dwóch innych artykułów w tym zbiorze. „Zespół napisał teraz na nowo system operacyjny pączkujących drożdży, co otwiera nową erę w biologii inżynieryjnej – przejście od majsterkowania przy kilku genach do projektowania i konstruowania całych genomów od nowa”.
Chociaż genomy bakterii i wirusów syntetyzowano już wcześniej, byłby to pierwszy syntetyczny genom eukarionta, który wprowadza komplikacje związane z wieloma chromosomami. Syntetyczne drożdże są także genomem „projektantem”, który zasadniczo różni się od naturalnego genomu Saccharomyces cerevisiae (drożdże piwne lub piekarskie), na którym są oparte.
„Zdecydowaliśmy, że ważne jest wyprodukowanie czegoś, co zostało bardzo mocno zmodyfikowane w stosunku do projektu natury” – mówi starszy autor i lider Sc2.0 Jef Boeke, biolog syntetyczny na Uniwersytecie Nowojorskim Langone Health. „Naszym nadrzędnym celem było zbudowanie drożdży, które mogą nauczyć nas nowej biologii”.
W tym celu badacze usunęli fragmenty niekodującego DNA i powtarzające się elementy, które można uznać za „śmieci”, dodali nowe fragmenty DNA, aby pomóc im łatwiej odróżnić geny syntetyzowane od natywnych, a także wprowadzili wbudowany generator różnorodności zwany „SCRaMbLE”, który tasuje kolejność genów w obrębie chromosomów i pomiędzy nimi.
Aby zwiększyć stabilność genomu, zespół usunął także wiele genów kodujących transferujący RNA (tRNA) i przeniósł je do zupełnie nowego „neochromosomu” składającego się wyłącznie z genów tRNA. „Neochromosom tRNA to pierwszy na świecie całkowicie syntetyczny chromosom de novo” – mówi Cai. „Nic takiego nie istnieje w naturze”.
Ponieważ genom drożdży jest podzielony na szesnaście chromosomów, badacze rozpoczęli od niezależnego złożenia każdego chromosomu, aby stworzyć szesnaście częściowo syntetycznych szczepów drożdży, z których każdy zawierał 15 naturalnych chromosomów i jeden syntetyczny chromosom. Kolejnym wyzwaniem było rozpoczęcie łączenia tych syntetycznych chromosomów w pojedynczą komórkę drożdży.
Aby to osiągnąć, zespół Boeke zaczął od zastosowania metody przypominającej groszek Mendla: zasadniczo badacze krzyżowali różne, częściowo syntetyczne szczepy drożdży, a następnie poszukiwali wśród ich potomstwa osobników posiadających oba syntetyczne chromosomy. Choć metoda ta jest skuteczna, jest bardzo powolna, ale zespół stopniowo skonsolidował wszystkie wcześniej zsyntetyzowane chromosomy – sześć pełnych chromosomów i jedno ramię chromosomu – w pojedynczą komórkę. Powstały szczep drożdży był w ponad 31% syntetyczny, miał normalną morfologię i wykazywał jedynie niewielkie wady wzrostu w porównaniu z drożdżami typu dzikiego.
Aby skuteczniej przenosić określone chromosomy między szczepami drożdży, naukowcy opracowali nową metodę zwaną substytucją chromosomów, którą omówiono w innym artykule z nowej kolekcji. Jako dowód koncepcji wykorzystali podstawienie chromosomów do przeniesienia nowo zsyntetyzowanego chromosomu (chromosom IV, największy ze wszystkich syntetycznych chromosomów), w wyniku czego powstała komórka drożdży z 7,5 syntetycznymi chromosomami, która jest w ponad 50% syntetyczna.
Kiedy syntetyczne chromosomy połączono w jeden szczep drożdży, zespół wykrył kilka defektów genetycznych, czyli „błędów”, które były niewidoczne w przypadku szczepów drożdży posiadających tylko jeden syntetyczny chromosom. „Wiedzieliśmy w zasadzie, że coś takiego może się zdarzyć – że możemy mieć do czynienia z ogromną liczbą rzeczy, które będą miały maleńkie skutki i że gdy je wszystkie połączyć, może to skutkować śmiercią tysiącem cięć” – mówi Boeke.
Niektóre z tych błędów wynikały po prostu z addytywnego wpływu wielu drobnych defektów w genomie, podczas gdy inne dotyczyły interakcji genetycznych między genami na różnych syntetycznych chromosomach. Naukowcom udało się zmapować i naprawić kilka z tych błędów oraz zwiększyć sprawność syntetycznych drożdży, stosując metodę opartą na CRISPR/Cas9.
„Teraz pokazaliśmy, że możemy skonsolidować zasadniczo połowę genomu o dobrej kondycji, co sugeruje, że nie będzie to duży problem” – mówi Boeke. „A dzięki debugowaniu uczymy się nowych zwrotów w zasadach życia”.
Następnym krokiem będzie integracja pozostałych syntetycznych chromosomów. „Teraz jesteśmy już tak daleko od mety, czyli posiadania wszystkich 16 chromosomów w jednej komórce” – mówi Boeke. „Lubię nazywać to końcem początku, a nie początkiem końca, ponieważ wtedy naprawdę będziemy mogli zacząć tasować talię i produkować drożdże, które będą w stanie zrobić rzeczy, jakich nigdy wcześniej nie widzieliśmy. “
Badania te były wspierane przez Narodową Fundację Nauki, Narodowy Instytut Zdrowia, Centrum Onkologii Laury i Isaaca Perlmutterów oraz Volkswagen Stiftung.