Впервые создана искусственная хромосома

Ученым впервые удалось создать полностью функциональную хромосому. Наука подошла к новому важному рубежу – созданию сложной искусственной жизни с заданными свойствами.

Ученые из нью-йоркского Медицинского центра Лангон синтезировали хромосому, которая успешно функционирует в дрожжах. Эта технология в перспективе позволит создавать различные микроорганизмы, запрограммированные производить, например, лекарства, топливо, сырье для продуктов питания и многое другое.

За последние 5 лет ученые создавали бактериальные хромосомы и вирусную ДНК, но это первый успешный опыт создания целой эукариотической хромосомы. Подобные хромосомы находятся во всех растительных и животных клетках. По мнению ученых, создание искусственной хромосомы является наиболее значительным достижением исследовании генов дрожжей с 1996 года, когда ученые расшифровали ДНК этого организма.

Первоначально ученые планировали полностью переделать третью хромосому дрожжей. Для этого автор исследования генетик Джеф Бок (Jef Boeke) из Университета Нью-Йорка хотел обратиться к коммерческим компаниям, чтобы они «сшили» кусочки ДНК, которые можно было бы собрать в искусственной хромосоме. Однако ученый понял, что эта работа займет слишком много времени. Поэтому Джеф Бок обратился к студентам-добровольцам, которые в итоге помогли собрать короткие фрагменты синтетической ДНК с участками длиной от 750 до 1000 пар нуклеотидов. Несмотря на то, что проект был международным и привлек ученых из Китая, Австралии, Сингапура, Великобритании и других стран, работа по созданию искусственной хромосомы заняла в общей сложности 7 лет.

В ходе этой работы, ученые удалили ряд повторяющихся участков из 47841 пар оснований ДНК, которые считаются ненужными при воспроизводстве хромосом и росте дрожжей. Кроме того была удалена так называемая мусорная ДНК, которая не производит каких-либо конкретных белков, а также «прыгающие» гены, способные вызвать неконтролируемые мутации. В то же время, ученые пометили участки ДНК, чтобы впоследствии можно было отличить искусственные части от природных. В результате всей этой работы удалось связать в искусственную хромосому 273871 пар оснований ДНК. Таким образом получилась более короткая искусственная хромосома (природная имеет длину 316667 пар нуклеотидов). Всего в ДНК были внесены более 50000 изменений.

Несмотря на масштабные изменения в генах, модифицированные дрожжи до сих пор живы и размножаются. Более того, синтетические хромосомы отличаются устойчивостью к внешним воздействиям, благодаря чему дрожжи стали более выносливыми.

Процесс сборки искусственной хромосомы проходил в три этапа. Самая сложная часть - сборка участков пар нуклеотидов. Ученые модифицировали лишь 2,5% из 12 млн пар нуклеотидов всех хромосом дрожжей, но даже этого достаточно для создания организма с совершенно новыми полезными способностями

Надо отметить, что для экспериментов была выбрана третья хромосома дрожжей, поскольку она самая маленькая. Также, геном дрожжей имеет 6000 генов (почти треть), которые присутствуют и в ДНК человека.

Впервые ученые смогли разрезать хромосому эукариота, «перетасовать» гены, вырезать ненужный генетический материал, поместить полученные фрагменты в живую клетку и соединить их в функциональную хромосому. Удивительно, но хромосома работает идеально, повышая возможности живого организма, а ведь сбой даже в одном гене может привести к патологическим изменениям и смерти клетки.

Джеф Бок заявил, что с помощью систем автоматизированного проектирования можно создавать синтетические штаммы дрожжей намного быстрее, чем первый опытный образец. В настоящее время команда ученого работает над сборкой новой хромосомы с искусственными кусками из более 10000 пар нуклеотидов. В будущем подобные генно-модифицированные дрожжи могут использоваться при производстве редких лекарств, вакцин, а также различных химических веществ, таких как алкоголь, бутанол или биодизель. Потенциал программирования ДНК огромен, даже в совершенном организме человека есть много «слабых мест», которые можно было бы убрать с помощью высокоточной генной модификации. Это касается, например, восприимчивости к некоторым опасным вирусам, мутациям, ожирению, старению, ограниченным возможностям регенерации и т.д.